Влияние структуры и свойств на износ покрытия Micro Melt NT-60 после плазменной порошковой наплавки

ке. Для наплавки применялся порошок с размером частиц 40 - 150 мкм.

Структура наплавленного материала исследовалась на оптическом микроскопе МИМ-8. Изучение микроструктуры и микроанализ зон наплавки проводились на аналитическом растровом электронном микроскопе JSM-6390A фирмы JEOL , измерение микротвердости осуществлялось по стандартной методике с использованием микротвердомера ПМТ-3. Испытания на линейный износ были проведены на установке Универсал-1А, собранной на базе сверлильного станка СС-13/350 [7,8]. Испытания проводились локально в четырех участках зоны наплавки (рис.1). Это связано с тем, что при плазменной наплавке величина тепловложения возрастала от начала к концу наплавки, что приводило к разогреву образца и к некоторому изменению условий формирования структуры и свойств наплавленного материала. Точка 1 (рис. 1) соответствует началу наплавки, а точка 4 – концу наплавки. Высота наплавленного слоя после шлифовки в зоне трения составила 0,4 мм. Контртело было изготовлено из стали 40Х (закалка до HRC 46-48) в виде трубки внешним диаметром 6 мм.

Испытания проводились при нормальной нагрузке в 26 кгс, в течение 10 минут, с частотой вращения шпинделя 600 об/мин. При испытаниях использовалась алмазная паста марки АСМ-3/2-НОМГ.

Pезультаты испытаний на износ. В табл. 1 представлены результаты испытаний наплавленного материала в различных зонах (рис.1) при токах плазменной дуги 70А, 85А и 100А. Площадь трения составляла 1,57*10^-5м². Схема расположения зон трения показана на рис. 1.

Наибольший износ наплавленного материала, сформированного при токе плазменной дуги 70А, происходит в начале наплавки (зона трения №1), к концу наплавки происходило уменьшение величины износа (зона трения №4). Величина износа существенно отличается по ширине наплавленной дорожки - она значительно больше на ее внутреннем крае, чем на внешнем. С ростом тока дуги происходит увеличение величины износа, при этом снижается разброс его значений по внутреннему и внешнему краю наплавленной дорожки. Наблюдается корреляция между изменением величин износа и коэффициента трения для различных зон трения, но в рамках одного образца. На рис. 2 представлена структура зон трения. В наплавленном материале Micro Melt NT-60 при токе дуги 70А (рис.2, а) в зонах трения происходит увеличение плотности карбидов, что приводит к снижению величины износа (табл. 1). При токе дуги 85А (рис.2, б) произошло уменьшение плотности карбидов, что привело к увеличению величины износа.

Плотность карбидов и её изменение в зонах трения наплавленного Micro Melt NT-60 при токе дуги 100А незначительно. Изменение размеров и плотности карбидов зависит от тока плазменной дуги и высоты зоны наплавки, что связано с их седиментацией.

Рис. 1. Расположение зон трения:

1 – начало наплавки; 4 – конец наплавки

На рис. 3 показано изменение микротвердости по высоте зоны наплавки. Микротвердость изменяется скачкообразно по высоте наплавки, что указывает на неоднородность структуры, связанную с неравномерным распределением карбидной фазы. Наиболее равномерная структура формируется во внутренней зоне наплавки. Среднее значение микротвердости составляет <Нμ = 350-400кг/мм2>.

Поверхность трения (пунктирная линия) наплавленного Micro Melt NT-60 при токе дуги 70А (рис.3, а ) находится в области наибольшей плотности карбидной фазы, где микротвердость достигает 700 кгс/мм². В соотвествии с этим износ данной поверхности трения минимален (табл.1). При токах дуги 85А и 100А микротвердость поверхности трения в основном определяется твердостью никелевой связки, которая значительно ниже микротвердости зон с большим содержанием карбидной фазы. Соответственно износ данных повер-хностей существенно выше. То есть величина износа зависит также от плот-ности карбидов и твердости никелевой основы. На рис.4 и в табл.2 представлены результаты исследований изменения микроструктуры наплавленного Micro Melt NT-60 и микроэлементного состава по ширине, высоте наплавленного материала и непосредственно в зоне трения на высоте наплавленного материала, равным 0,4 мм.С увеличением тока плазменной дуги до 85А происходит измельчение карбид-ной фазы и увеличение ее плотности по объему. В тоже время при токе плазменной дуги 100А происходит рост карбидов и уменьшение их плотности. Это однозначно наблюдается на внешнем крае, но менее заметно на внутреннем крае наплавленной дорожки.

Таблица 1. Зависимость величины износа в различных зонах трения

№ зоны трения	И 1 , мкм	И 2 , мкм	<И>, мкм	μ	ΔT0С
I Д =70А
1	58	29	43,5	0,11	10
2	29	27	28	0,09	11
3	15	33	24	0,09	7
4	8	5	6,5	0,071	8
			<25,5>
І Д = 85А
1	51	20	35,5	0,1	10
2	50	22	36	0,1	11
3	55	23	39	0,11	7
4	58	25	41,5	0,1	8
			<38>
І Д = 100А
1	62	21	41,5	0,077	8
2	65	15	40	0,069	6
3	59	13	36	0,054	5
4	56	12	34	0,046	8
			<38>

Примечание: И 1 – величина износа внутреннего края наплавленной дорожки, И 2 – величина износа внешнего края наплавленной дорожки.

Зона трения №1

Зона трения №2

Зона трения №3

Зона трения №4

а

б

в

Рис. 2. Структура зон трения: а – Iд =70А; б – Iд =85А; в – Iд =100А; х105.

H μ , кгс/мм²

высота наплавки мкм

б

в

Рис. 3. Микротвердость наплавленного Micro Melt NT-60 по высоте наплавки: а – Iд =70А; б – Iд =85А; в – Iд =100А; пунктирная линия – зона трения.

внешний край внутренний край

а

б

в

Рис. 4. Структура зоны наплавки по высоте: а – Iд =70А; б – Iд =85А; в – Iд =100А.

Таблица 2. Элементный спектральный анализ по зонам

№ зоны Микроанализа	C	Cr	Fe	Co	Ni	W	Total(Mass%), зона наплавки
I Д =70А
5	2,99	0,36	13,85	0,06	41,55	41,18	100 (внешний край)
17	4,15	0,37	13,33	0,2	37,67	44,28	100 (внутренний край)
I Д =85А
2	3,19	0,38	20,94	0,06	33,6	41,83	100 (внешний край)
27	3,07	0,45	23,02	0,11	37,15	36,2	100 (нутренний край)
I Д =100А
13	3,41	0,53	36,22	0,3	38,4	21,14	100 (внешний край)
22	2,55	0,47	30,36	0,27	31,47	34,88	100 (нутренний край)

Непосредственно на поверхности зоны трения плотность мелких карбидов более высокая при токах дуги 70А и 85А.

Наблюдается также седиментация карбидов, особенно при токе плазменной дуги 100А, что приводит к резкому уменьшению карбидов в зоне трения (рис.4, верхняя граница) и соответственно повышение их плотности от поверхности наплавленного материала ко дну ванны расплава. Данный экспериментальный факт может указывать на неравно-мерность величины износа наплавленного Micro Melt NT-60 по высоте наплавки.

Повышение тока плазменной дуги вызывает возрастание неравномерности распределения элементного состава по ширине и глубине наплавленного Micrо Melt NT-60 - концентрации железа с ростом высоты зоны и тока дуги плазменной наплавки и уменьшение концентрации карбидов вольфрама. В целом это приводит к неравномерности износа наплавленного материала по ширине и высоте зоны наплавки, что подтверждается экспериментально в данной работе.

На рис. 5 представлено изменение микроструктуры наплавленного Micro Melt NT-60 в зоне трения в зависимости от токов плазменной дуги. При плазменной наплавке с ростом тока дуги происходит измельчение карбидов вольфрама в результате их распада и растворения в жидком связующем никеле. Данный процесс резко интенсифицируется при токах плазменной дуги выше 85А и более активно протекает на внутреннем крае наплавляемой дорожки.

Рентгеноспектральный микроанализ показывает, что наряду с карбидами вольфрама в зоне наплавки образуются карбиды железа (темные пластинчатые структуры), сложные карбиды или диффузионные области железа в карбиде вольфрама (темные области в карбидах вольфрама), растворы железо-никель, железо-никель – вольфрам (светлые вкрапления на темном фоне). Вольфрам в никеле растворяется в жидкой фазе в результате распада карбидов вольфрама.

Внутренний край зоны наплавки

Внешний край зоны наплавки

б

а

в

Рис. 5. Структура зоны наплавки по высоте: а – Iд =70А; б – Iд =85А; в – Iд =100А.

То есть при плазменной наплавке в наплавленном Micro Melt NT-60 происходит упрочнение никелевой связки за счет растворения в ней железа, вольфрама и мелких частиц карбида вольфрама, что соответственно приводит к увеличению ее твердости и уменьшению величины износа плазменно-наплавленного Micro Melt NT-60.

Выводы. На основе проведенных испытаний по локальному износу и комплексных экспериментальных исследований структуры, микротвердости, рентгеноспект-рального анализа можно сделать следующие выводы:

• 1.    Величина износа существенным образом зависит от времени и тока дуги плазменной наплавки. С ростом тока плазменной дуги величина износа возрастает.

• 2.    На величину износа сильное влияние оказывает структура наплавленного слоя. С ростом плотности карбидов в зоне трения величина износа уменьшается.

• 3.    Степень износа наплавленного Micro Melt NT-60 зависит от твердости связующего материала, свойства которого изменяются в результате легирования вольфрамом, карбидами вольфрама, растворения в ней железа и образованием более сложных карбидов, таких как (Fe, W)С.